JP7210810B1 - 炭素質被覆黒鉛材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]メソフェーズ小球体焼成物を粉砕する粉砕工程と、上記粉砕工程で得られた粉砕物を、珪素元素および鉄元素の存在下で黒鉛化する黒鉛化工程と、上記黒鉛化工程で得られた黒鉛化物を解砕する解砕工程と、上記解砕工程で得られた解砕物に炭素質前駆体を付着させる付着工程と、上記炭素質前駆体が付着した上記解砕物を焼成することにより、上記炭素質前駆体を炭素質にして、上記炭素質で上記解砕物を被覆する被覆工程と、を備える炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[2]上記粉砕物の平均粒子径が10.0μm以上、20.0μm以下である上記[1]に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[3]上記珪素元素の添加量が上記粉砕物100質量部に対し1質量部以上、5質量部以下であり、上記鉄元素の添加量が上記粉砕物100質量部に対し1質量部以上、5質量部以下である上記[1]または[2]に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[4]上記解砕工程がメカノケミカル処理からなる上記[1]~[3]のいずれかに記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[5]上記炭素質の被覆量が0.5~15.0質量%である、上記[1]~[4]のいずれかに記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[6]上記黒鉛材料の平均粒子径が10.0μm以上、20.0μm以下、d002が0.3360nm以下、BET法による比表面積が2.0m2/g以上、水銀圧入法で測定される0.1μm未満の細孔容積が10.0μL/g以上である上記[1]~[5]のいずれかに記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
[7]上記黒鉛材料がリチウムイオン二次電池の負極材料である上記[1]~[6]のいずれかに記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
本発明の出発原料であるメソフェーズ小球体は、フリーカーボンを例えば0.01~2質量%、好ましくは0.3~0.9質量%含有する石油系または石炭系のピッチ類を、例えば350~1000℃、好ましくは400~600℃、より好ましくは400~450℃で熱処理して得ることができる。
ピッチ類としては、コールタール、タール軽油、タール中油、タール重油、ナフタリン油、アントラセン油、コールタールピッチ、ピッチ油、酸素架橋石油ピッチ、ヘビーオイルなどが挙げられるが、コールタールピッチが好ましい。
メソフェーズ小球体は、例えば、不活性雰囲気下で400~800℃で、1~6時間加熱して、焼成し、メソフェーズ小球体焼成物とする。メソフェーズ小球体焼成物とすることにより黒鉛化時の融着を防ぐことができる。
本発明のメソフェーズ小球体焼成物を粉砕する工程においては、粉砕の方法は特に限定されず、乾式法、湿式法のいずれも用いることができるが、乾式法が好ましい。粉砕後の平均粒径は10.0~20.0μmであることが好ましく、10.0~17.5μmがより好ましく、10.0~16.0μmが更に好ましく、10.0~15.0μmが特に好ましい。また、平均粒径を調整するために分級を行っても差し支えない。
本発明における珪素元素および鉄元素は、これらの元素単体のみならず珪素化合物および鉄化合物を含む。また、後述する黒鉛化工程において蒸発するものであれば、他の金属元素を含んでいても合金の形態であってもかまわない。好ましくは、酸化珪素、炭化珪素、酸化鉄、水酸化鉄、フェロシリコンである。
珪素元素および鉄元素は粉状であることが好ましく、その平均粒径は5μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。
本発明における黒鉛化は、例えばアチソン炉など公知の高温炉を用いて熱処理する方法が採用できる。これにより珪素元素および鉄元素は分解・蒸発するため、得られる黒鉛材料には実質的に残存しない。熱処理温度は、珪素元素および鉄元素が蒸発する温度以上であることは言うまでもないが、具体的には例えば2500℃以上、好ましくは2800℃以上、より好ましくは3000℃以上、更に好ましくは3100℃以上である。上限は例えば3300℃である。黒鉛化は非酸化性雰囲気で行うことが好ましい。黒鉛化に要する時間は一概には言えないが、例えば1~20時間程度である。
なお黒鉛化後に珪素元素または鉄元素が残存しているかどうかは、一般的な燃焼分析によって確かめることができ、灰分として0.03質量%未満であることが好ましく、0.01質量%未満であることがより好ましい。
本発明は、黒鉛化物を解砕する工程を含む。これは、黒鉛化工程において珪素元素が炭素材料と反応して黒鉛粒子同士が融着するため、再び一次粒子にまで分離する必要があるためである。解砕後の平均粒径は、黒鉛化前の平均粒径に比して0.9~1.0の範囲であることが好ましい。平均粒径の比が0.9未満であると、過粉砕となり、初期充放電効率が低下することがある。平均粒径の比が1.0超であると、解砕が不十分となり、電極密度が低下することがある。
メカノケミカル処理機を用いる方法が好ましい理由としては、解砕により露出した黒鉛エッヂ面が摩擦により低結晶化され、より高い初期充放電効率が得られる点が挙げられる。
本発明では、解砕工程で得られた解砕物(解砕された黒鉛化物)に炭素質前駆体を付着させる。付着させる方法は特に限定されず、例えば、固体状、液状、溶融状、溶液状の炭素質前駆体を用いて、解砕物と混合したり、解砕物を浸漬したり、解砕物に噴霧したりすることができる。
上記の処理を行う際の雰囲気は、特に限定されず、例えば、空気雰囲気である。
上記の処理を行う際の温度は、5℃以上が好ましく、10℃以上がより好ましく、25℃以上が更に好ましい。一方、上記温度は、150℃以下が好ましく、100℃以下がより好ましく、60℃以下が更に好ましい。
炭素質前駆体としては、黒鉛に比べて結晶性が低く、黒鉛化するために必要とされる高温処理をしても黒鉛結晶とはなりえない炭素材であるタールピッチ類および/または樹脂類が例示される。
タールピッチ類としては、例えば、コールタール、タール軽油、タール中油、タール重油、ナフタリン油、アントラセン油、コールタールピッチ、ピッチ油、メソフェーズピッチ、酸素架橋石油ピッチ、ヘビーオイルなどが挙げられる。
樹脂類としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸などの熱可塑性樹脂;フェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂;等が挙げられる。
コスト面の観点からは、炭素質前駆体は、樹脂類を含まず、タールピッチ類のみからなることが好ましい。このような炭素質前駆体として、例えば、コールタールピッチが80質量%以上である炭素質前駆体が好適に挙げられる。
本発明では、付着工程で得られた炭素質前駆体が付着した解砕物を焼成して、炭素質前駆体を炭素質にして、炭素質被覆黒鉛材料を得る。
焼成の方法は、特に限定されないが、焼成時の酸化を防ぐために不活性雰囲気下で焼成するのが好ましい。このとき、管状炉を使用することが好ましい。
焼成する際の雰囲気は、非酸化雰囲気として、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、窒素雰囲気などが例示できる。
焼成する際の温度(焼成温度)は、700℃以上が好ましく、900℃以上がより好ましい。一方、焼成温度は、2000℃以下が好ましく、1300℃以下がより好ましく、1200℃以下が更に好ましい。
具体的には、例えば、窒素気流中、700℃以上2000℃以下で焼成することが好ましい。
焼成時間は、5分以上が好ましい。一方、焼成時間は、30時間以下が好ましい。
焼成温度まで昇温させる形態として、直線的な昇温、一定間隔で温度をホールドする段階的な昇温などの様々な形態を採ることができる。
本発明の製造方法により得られる炭素質被覆黒鉛材料(以下、単に本発明の炭素質被覆黒鉛材料と記述する)は高結晶性であり、光学的異方性を示す。黒鉛の結晶性は、X線広角回折における(002)面の平均格子面間隔d002を指標とすることができ、本発明の炭素質被覆黒鉛材料については、d002が0.3360nm以下であることが好ましく、0.3358nm以下であることがより好ましい。d002が0.3360nm超であると、高い放電容量が得られないことがある。
また、水銀圧入法により測定される0.1μm未満の細孔の容積は10.0μL/g以上であることが好ましく、10.2μL/g以上がより好ましい。上限は20.0μL/gが好ましい。比表面積が2.0m2/g未満であるか、0.1μm未満の細孔の容積が10.0μL/g未満である場合には急速充放電特性が低下することがある。
本発明の炭素質被覆黒鉛材料における炭素質の被覆量は、0.5質量%以上が好ましく、0.7質量%以上がより好ましく、1.0質量%以上が更に好ましい。
炭素質の被覆量がこの範囲であれば、解砕物の活性なエッヂ面が被覆されやすくなり、初期充放電効率がより優れる。
一方、本発明の炭素質被覆黒鉛材料における炭素質の被覆量は、15.0質量%以下が好ましく、12.0質量%以下がより好ましく、10.0質量%以下が更に好ましい。
炭素質の被覆量がこの範囲であれば、相対的に放電容量の低い炭素質が少なくなり、放電容量がより優れる。
また、炭素質の被覆量がこの範囲である場合、炭素質前駆体の使用量が少なくなるため、付着および焼成の際に、融着が生じにくくなり、最終的に得られる炭素質の割れや剥離が抑制され、初期充放電効率がより優れる。
炭素質の被覆量は、炭素質被覆黒鉛材料の全体の平均値が上記範囲内であればよい。個々の炭素質被覆黒鉛材料の全てが上記範囲内にある必要はなく、上記範囲以外の炭素質被覆黒鉛材料を一部に含んでいてもよい。
炭素質の被覆量は、炭素質前駆体が付着した解砕物を焼成する際の条件と同じ条件で、炭素質前駆体のみを焼成し、その残炭量から求める。
本発明の炭素質被覆黒鉛材料は、リチウムイオン二次電池の負極材料として用いることができる。負極材料以外の電池の構成要素、すなわち、正極材料、電解質、セパレータ、バインダー、集電体などについては特に限定されることはなく、リチウムイオン二次電池に関する公知の技術を適用することができる。
なお以下の実施例及び比較例において、材料の物性は以下の方法により測定した。
平均粒径は、レーザー回折式粒度分布径により測定した粒度分布の累積度数が体積百分率で50%となる粒子径である。
比表面積は、窒素ガス吸着によるBET法により求めた。
X線広角回折における(002)面の平均格子面間隔d002は、前述の学振法により求めた。
0.1μm以下の細孔容積は、水銀圧入法により求めた。
[炭素質被覆黒鉛材料の作製]
コールタールピッチを窒素雰囲気中450℃で熱処理し、メソフェーズ小球体(平均粒径40μm)を生成させた。次いでタール中油を用いてコールタールピッチからピッチマトリックスを抽出し、さらにタール中油からメソフェーズ小球体を分離し、乾燥した。乾燥後のメソフェーズ小球体を窒素雰囲気下500℃で3時間熱処理して、メソフェーズ小球体焼成物(平均粒径34μm)を得た。
次に、メソフェーズ小球体焼成物をハンマーミルで粉砕し、平均粒径15μmとした。得られた粉砕物100質量部、二酸化珪素4.3質量部(珪素元素2質量部)および酸化第二鉄2.9質量部(鉄元素2質量部)をスクリューミキサーに投入し、30分間混合した。得られた混合物を黒鉛坩堝に充填し、アチソン炉にて3150℃で5時間熱処理して黒鉛化を行った。得られた黒鉛化物の灰分(燃焼法)は0.01%未満であった。
次いで、得られた黒鉛化物をメカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン(株))に投入し、ローター周速20m/sで30分間運転し、解砕を行った(メカノケミカル処理)。
得られた炭素質被覆黒鉛材料の各物性(平均粒径、比表面積など)を、上述した方法により求めた。結果を下記表1に示す。
次に、得られた炭素質被覆黒鉛材料を負極材料として用いて負極を作製した。まず、負極材料を96質量部、結合剤としてのカルボキシメチルセルロース2質量部、およびスチレン-ブタジエンゴム2質量部を水に入れ、攪拌して負極合剤ペーストを調整した。次いで、この銅箔上に塗布された負極合剤層を150MPaの圧力でプレスした。さらに、銅箔と負極合剤層を直径15.5mmの円柱状に打抜いて、銅箔に密着した負極合剤層を有する作用電極(負極)を作製した。
次に、作製した負極を用いて単極評価用のボタン型二次電池を作製した。正極にはニッケルネットからなる集電体と、この集電体に密着したリチウム金属箔からなる極板を用いた。
電解液は、エチレンカーボネート33体積%とメチルエチルカーボネート67体積%の混合溶剤に、LiPF6を1mol/Lとなる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。得られた非水電解液を厚さ20μmのポリプロピレン多孔質体に含侵させ、電解液が含侵されたセパレータを作成した。
図1に評価電池の構成としてボタン型二次電池を示す。
外装カップ1と外装缶3は、その周縁部において絶縁ガスケット6を介在させ、両周縁部をかしめて密閉した。その内部に外装缶3の内面から順に、ニッケルネットからなる集電体7a、リチウム箔よりなる円筒状の対極(正極)4、電解液が含浸されたセパレータ5、負極合剤2が付着した銅箔からなる集電体7bが積層された電池系である。
上記評価電池は電解液を含浸させたセパレータ5を集電体7bと負極合剤2からなる作用電極(負極)と、集電体7aに密着した対極4との間に挟んで積層した後、集電体7bを外装カップ1内に、対極4を外装缶3内に収容して、外装カップ1と外装缶3とを合わせ、さらに、外装カップ1と外装缶3との周縁部に絶縁ガスケット6を介在させ、両周縁部をかしめて密閉して作製した。
以上により作製された評価電池について、25℃の温度下で以下に示す充放電試験を行い、放電容量、初期充放電効率、急速充電率および急速放電率を計算した。
また、電極密度は、厚みと負極合剤の質量から計算した。
回路電圧が0mVに達するまで0.9mAの定電流充電を行った後、回路電圧が0mVに達した時点で定電圧充電に切替え、さらに電流値が20μAになるまで充電を続けた。その間の通電量から質量当たりの充電容量(単位:mAh/g)を求めた。その後、120分間休止した。次に0.9mAの電流値で回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から質量当たりの放電容量(単位:mAh/g)を求めた。式(1)により初期充放電効率を計算した。
初期充放電効率(%)=(放電容量/充電容量)×100 ・・・(1)
なおこの試験では、リチウムイオンを負極材料に吸蔵する過程を充電、負極材料から離脱する過程を放電とした。
放電容量は、357mAh/g以上が好ましく、357~365mAh/gがより好ましい。初期充放電効率は、92%以上が好ましく、92~95%がより好ましい。
引き続き第2サイクルにて急速充電を行った。
電流値を6mAとして、回路電圧が0mVに達するまで定電流充電を行い、充電容量を求め、式(2)により急速充電率を計算した。
急速充電率(%)=(急速定電流充電容量/初期放電容量)×100 ・・・(2)
急速充電率は、40%以上が好ましく、40~55%がより好ましく、43~55%が更に好ましい。
同じ第2サイクルにて急速放電を行った。
第1サイクルと同様に定電圧充電に切り替えて満充電した後、電流値を12mAとして、回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行った。得られた放電容量から、式(3)により急速放電率を計算した。
急速放電率(%)=(急速放電容量/初期放電容量)×100 ・・・(3)
急速放電率は、92%以上が好ましく、92~98%がより好ましい。
実施例1において、二酸化珪素2.1質量部(珪素元素1質量部)、酸化第二鉄4.3質量部(鉄元素3質量部)を用いてメソフェーズ小球体焼成体粉砕物との混合を行った。それ以外は実施例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
実施例1において、二酸化珪素6.4質量部(珪素元素3質量部)、酸化第二鉄1.4質量部(鉄元素1質量部)を用いてメソフェーズ小球体焼成体粉砕物との混合を行った。それ以外は実施例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
実施例1において、炭素質前駆体は、最終的に得られる炭素質が下記表1に示す含有量となる量で加えた。それ以外は実施例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
実施例1において、炭素質前駆体を解砕物に付着させて焼成する工程を行わなかった。
すなわち、メカノケミカル処理を行った黒鉛化物の各物性と電池特性の評価を実施例1と同様に行った。
比較例1において、二酸化珪素2.1質量部(珪素元素1質量部)、酸化第二鉄1.4質量部(鉄元素1質量部)を用いてメソフェーズ小球体焼成体粉砕物との混合を行った。それ以外は比較例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
比較例1において、二酸化珪素2.1質量部(珪素元素1質量部)、酸化第二鉄4.3質量部(鉄元素3質量部)を用いてメソフェーズ小球体焼成体粉砕物との混合を行った。それ以外は比較例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
比較例1において、二酸化珪素6.4質量部(珪素元素3質量部)、酸化第二鉄1.4質量部(鉄元素1質量部)を用いてメソフェーズ小球体焼成体粉砕物との混合を行った。それ以外は比較例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
実施例1において、二酸化珪素および酸化第二鉄を添加せずに黒鉛化を行った。それ以外は実施例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
実施例1において、得られた黒鉛化物を解砕しなかった。それ以外は実施例1と同様に黒鉛材料の作製と電池特性の評価を行った。
2 負極合剤
3 外装缶
4 対極(正極)
5 セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a、7b 集電体
Claims (6)
- 平均粒径が20~70μmのメソフェーズ小球体を焼成して得たメソフェーズ小球体焼成物を粉砕する粉砕工程と、
前記粉砕工程で得られた粉砕物を、珪素元素および鉄元素の存在下で黒鉛化する黒鉛化工程と、
前記黒鉛化工程で得られた黒鉛化物を解砕して解砕物を得、前記解砕物の平均粒径が黒鉛化前の平均粒径に比して0.9~1.0である解砕工程と、
前記解砕工程で得られた前記解砕物に炭素質前駆体を付着させる付着工程と、
前記炭素質前駆体が付着した前記解砕物を焼成することにより、前記炭素質前駆体を炭素質にして、前記炭素質で前記解砕物を被覆する被覆工程と、を備え、
前記解砕工程がメカノケミカル処理からなり、
d 002 が0.3360nm以下であり、BET法による比表面積が2.0m 2 /g以上であり、水銀圧入法で測定される0.1μm未満の細孔容積が10.0μL/g以上である炭素質被覆黒鉛材料を製造する、炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。 - 前記粉砕物の平均粒子径が10.0μm以上、20.0μm以下である請求項1に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
- 前記珪素元素の添加量が前記粉砕物100質量部に対し1質量部以上、5質量部以下であり、
前記鉄元素の添加量が前記粉砕物100質量部に対し1質量部以上、5質量部以下である請求項1または2に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。 - 前記炭素質の被覆量が0.5~15.0質量%である、請求項1~3のいずれか1項に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
- 前記炭素質被覆黒鉛材料の平均粒子径が10.0μm以上、20.0μm以下である請求項1~4のいずれか1項に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
- 前記炭素質被覆黒鉛材料がリチウムイオン二次電池の負極材料である請求項1~5のいずれか1項に記載の炭素質被覆黒鉛材料の製造方法。
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